L’énergie solaire est la principale ressource lumineuse et thermique de la Terre. Il peut fournir une énergie éternelle pour maintenir la température atmosphérique et faire germer les plantes. Grâce aux progrès technologiques, l’énergie solaire peut être utilisée de plus en plus efficacement et de manière économique.
Dans un système de chauffage et de refroidissement solaire, l’énergie solaire a le potentiel de répondre à une grande partie des besoins de chauffage et de refroidissement des bâtiments et de l’industrie. Il existe également de nombreuses technologies pour différentes températures de source de chaleur et exigences spécifiques. Pour garantir une utilisation solaire stable et à long terme, le stockage de la chaleur est également essentiel. Dans cet article, un aperçu des technologies de chauffage et de refroidissement solaires sera donné.
Énergie solaire
L'énergie solaire est la source d'énergie des systèmes de chauffage et de refroidissement solaires. Il existe principalement deux manières modernes de collecter l’énergie solaire. La première consiste à adopter directement l’énergie thermique produite par le rayonnement solaire en utilisant un capteur solaire. La chaleur solaire acquise pourrait ensuite être transférée vers des applications de chauffage ou de refroidissement solaires ; ce type de système est également appelé système solaire thermique. L’autre consiste à transférer le rayonnement solaire en énergie électrique via un matériau photovoltaïque (PV) ; ce type de système est également appelé le système solaire photovoltaïque.
Lorsque l’énergie solaire est intégrée aux systèmes de chauffage et de refroidissement, il existe beaucoup plus d’options pour les systèmes thermiques que pour les systèmes électriques. Dans ce cas, l'accent est mis sur les capteurs solaires thermiques et les systèmes thermiques ont fait l'objet de recherches et de développements approfondis. En raison de la baisse significative des prix du solaire photovoltaïque au cours des dernières années, les systèmes solaires photovoltaïques deviennent également attractifs.
Il existe différentes classifications du capteur solaire. On peut le classer en non concentré types et se concentrer les types. Il peut également être classé en collecteurs basse température, collecteurs moyenne température et collecteurs haute température en fonction de la température de fonctionnement. Les capteurs à basse, moyenne et haute température fonctionnent respectivement à moins de 100°C, entre 100 et 200°C et au-dessus de 200°C.
Dans cet article, les capteurs solaires sont classés en sans suivi capteurs solaires et suivi capteurs solaires. Une brève introduction à la technologie solaire photovoltaïque est également présentée.
Capteurs solaires sans suivi
Ce type de capteur solaire comprend principalement le capteur plan (FPC), le capteur à tubes sous vide (ETC) et le concentrateur parabolique composé (CPC). Ils fonctionnent généralement comme des capteurs à basse et moyenne température adaptés au chauffage et au refroidissement des locaux. L'eau, l'air ou l'huile peuvent être utilisés comme moyen de transport thermique.
Collecteur à plaques plates
FPC: Les FPC contiennent généralement le vitrage, la plaque absorbante, le composant de transfert de chaleur et la couche isolante. Les FPC sont généralement utilisés pour le chauffage des locaux ou l'approvisionnement en eau chaude. Sa température de fonctionnement est basse, mais elle est simple, économique et a une longue durée de vie. Il s’intègre également facilement dans les bâtiments.
Collecteur à tube sous vide
ETC: Lorsque le climat n'est pas très chaud ou que la température de fonctionnement est élevée, le FPC ne peut pas fonctionner efficacement en raison des pertes de chaleur et les ETC peuvent être utilisés. Dans l'ETC, la surface de l'absorbeur avec revêtement sélectif (absorptivité 95%, émissivité <5%) est placée dans un tube double couche avec vide entre deux couches. Le vide entourant l’absorbeur peut réduire considérablement les pertes de chaleur par convection et conduction. Dans ce cas, l'efficacité peut être augmentée.
Concentrateur parabolique composé
CPC: Pour augmenter l'efficacité des capteurs solaires, des capteurs à concentration tels que les CPC peuvent être utilisés. Le CPC est un concentrateur sans imagerie avec un faible rapport de concentration. Le CPC utilise une surface réfléchissante parabolique composée pour réfléchir et concentrer le rayonnement solaire sur la ligne focale. Un absorbeur tubulaire est utilisé comme récepteur. Dans certains collecteurs CPC nouvellement développés, une surface parabolique composée et un récepteur sont intégrés dans le tube sous vide pour éviter les pertes de chaleur et augmenter l'efficacité.
Suivi des capteurs solaires
Ce type de capteur solaire comprend principalement les capteurs suiveurs à un seul axe et les collecteurs suiveurs à deux axes. Les collecteurs de suivi à axe unique comprennent des collecteurs à cuvette parabolique linéaire (PTC), des réflecteurs de Fresnel linéaires (LFR) et des collecteurs à cuvette cylindrique (CTC). Ils ont un effet concentré bidimensionnel. Les collecteurs de suivi à deux axes comprennent le collecteur parabolique et le collecteur à tour solaire (champ d'héliostat). Ils ont un effet concentré tridimensionnel. Les collecteurs suiveurs fonctionnent généralement comme des collecteurs à moyenne et haute température. De l'eau, de l'huile ou du sel fondu peuvent être utilisés comme fluide de travail.
Collecteurs à cuvettes paraboliques
PTC: Le PTC utilise un réflecteur parabolique pour concentrer le rayonnement solaire. Le récepteur tubulaire intégré au tube sous vide est placé le long de la ligne focale du réflecteur. Le collecteur doit suivre le Soleil le long d’un seul axe pour maximiser son efficacité. Un rapport de concentration supérieur à celui du CPC peut être obtenu. Les PTC peuvent produire efficacement de la chaleur à des températures comprises entre 50°C et 400°C. Il peut être utilisé pour la production d’énergie solaire thermique, l’énergie solaire thermique à des fins industrielles et comme source de chaleur pour un refroidissement solaire efficace.
Réflecteurs de Fresnel linéaires
LFR: Le LFR utilise plusieurs réseaux de miroirs plats pour réfléchir et concentrer ensemble le rayonnement solaire. Comparé aux PTC, le LFR est moins cher et prend moins de place. Les réseaux de miroirs sont généralement placés au sol. Cela rend l'installation plus facile que les PTC, en particulier dans un grand système. Cependant, des problèmes d’ombrage et de blocage peuvent éventuellement réduire son efficacité. La technologie Compact LFR peut améliorer cela maintenant qu’elle est bien acceptée pour le chauffage industriel et le refroidissement solaire.
Plat parabolique
Plat parabolique: La parabole utilise la parabole réfléchissante pour concentrer le rayonnement solaire en un point. Dans ce cas, le rapport de concentration d'une assiette parabolique est supérieur au PTC et au LFR. Une efficacité plus élevée ou une température de travail plus élevée peuvent être obtenues. L'absorbeur d'un collecteur parabolique est placé au point focal. La concentration tridimensionnelle étant adoptée, un suivi sur deux axes est nécessaire. Des antennes paraboliques ont été utilisées avec des moteurs Stirling pour produire de l'électricité.
Tour solaire
Tour solaire: La tour solaire utilise les héliostats pour concentrer le rayonnement solaire vers le récepteur sur une tour. Les héliostats sont des miroirs de suivi répartis autour de la tour. Dans ce cas, la tour solaire est également appelée champ héliostat ou collecteur récepteur central. Étant donné que les héliostats sont des composants individuels installés au sol, la surface réfléchissante totale et le taux de concentration peuvent être importants, ce qui augmente la puissance du système et l'efficacité de son fonctionnement. Les systèmes de tours solaires ont été considérés comme un système efficace pour produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire thermique. Les types de concentration, les modes de suivi, les températures de fonctionnement et l'efficacité des collecteurs mentionnés sont indiqués dans le tableau 1.1. L'efficacité des capteurs solaires thermiques est étroitement liée à la température de fonctionnement et à la température ambiante. Dans ce cas, les gains d'efficacité ne sont pas inclus.
Capteurs solaires thermiques
Collectionneur | Mouvement | Type d'absorbeur | Rapport de concentration | Température indicative (°C) |
Assiette plate | Stationnaire | Appartement | 1 | 30–80 |
Tube sous vide | Stationnaire | Appartement | 1 | 50–200 |
CPC | Stationnaire | Tubulaire | 1–5 | 60–240 |
CTP | Suivi sur un seul axe | Tubulaire | 15–45 | 60–300 |
LFR | Suivi sur un seul axe | Tubulaire | 10–40 | 60–250 |
Plat parabolique | Suivi sur deux axes | Indiquer | 100–1000 | 100–500 |
Tour solaire | Suivi sur deux axes | Indiquer | 100–1500 | 150–2000 |
- CPC, Concentrateur parabolique composé ;
- PTC, collecteur à cuvette parabolique ;
- LFR, réflecteur de Fresnel linéaire.
Solaire photovoltaïque
Lorsque l’énergie solaire photovoltaïque est utilisée pour un système de chauffage et de refroidissement, un système conventionnel à compression de vapeur peut être adopté. Dans un système solaire photovoltaïque, le rayonnement solaire peut être converti en électricité continue grâce à l'effet photovoltaïque des matériaux semi-conducteurs. Les cellules solaires pourraient être classées comme cellules de silicium, cellules à couches minces, cellules solaires émergentes, et cellules solaires multijonctions, parmi lesquelles des cellules solaires en silicium et en film sont disponibles sur le marché.
Cellules de silicium
Cellules de silicium: Le matériau à base de silicium est le matériau photovoltaïque le plus développé et le plus commercialisé. On parle aussi de technologie de « première génération ». Les matériaux à base de silicium représentent la plus grande part de marché des produits photovoltaïques. Le silicium multicristallin et le silicium monocristallin sont les matériaux les plus utilisés sur le marché.
Cellules à couches minces
Cellules à couches minces: Une cellule à couche mince est réalisée en déposant une ou plusieurs couches minces de matériau PV à couche mince sur un substrat. Son épaisseur varie du nanomètre à la dizaine de micromètres, ce qui facilite l'intégration dans un bâtiment. On parle aussi de technologie de « deuxième génération ». Les cellules solaires à couches minces commercialisées utilisent généralement du tellurure de cadmium, du séléniure de cuivre, d'indium et de gallium et du silicium à couches minces amorphe (a-Si). En 2014, les cellules à couches minces représentaient environ 9 % du déploiement mondial, le reste étant constitué de cellules en silicium cristallin.
Cellules solaires émergentes
Cellules solaires émergentes: Les cellules solaires émergentes peuvent également être appelées cellules solaires de « troisième génération ». Ces cellules solaires ont le potentiel de dépasser la limite de Shockley-Queisser pour les cellules solaires à bande interdite unique. Ils comprennent les cellules sensibilisées aux colorants et les cellules organiques. Les autres technologies disponibles incluent la cellule au sulfure de cuivre, de zinc et d'étain, la cellule à pérovskite, la cellule polymère et la cellule à points quantiques.
Cellules multijonctions
Cellules multijonctions: Les cellules traditionnelles n'ont qu'une seule jonction p-n et il existe une limite d'efficacité théorique. Les cellules solaires multijonctions ont plusieurs jonctions p – n constituées de différents matériaux semi-conducteurs. Un rendement théorique allant jusqu'à 86,8 % peut être atteint par des jonctions p-n infinies. Les cellules multijonctions varient en fonction du nombre de jonctions et du matériau. Il s'agit notamment de la cellule InGaP/GaAs/InGaAs, de la cellule à couches minces de silicium amorphe/alliage d'hydrogène (a-Si)/de silicium nanocristallin ou microcristallin (nc-Si)/nc-Si, de la cellule à couches minces a-Si/nc-Si et bientôt.
Plus d'information
- [1] Kalogirou SA Capteurs solaires thermiques et applications. Prog Energy Combust Sci. 2004;30(3):231-295.
- [2] Rapport Fraunhofer ISE Photovoltaïque. 2015.
- [3] Shockley W, Queisser HJ Limite d'équilibre détaillée de l'efficacité des cellules solaires à jonction pn. J Appl Phys. 1961;32(3):510-519.
- [4] Dimroth F, Kurtz S. Cellules solaires multijonctions à haut rendement. Mme Bull. 2007;32(03):230-235.
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Third-generation solar cells, also known as tandem solar cells, consist of multiple layers of photovoltaic materials with different bandgaps. This design enables them to harness a broader spectrum of sunlight, increasing their efficiency compared to traditional silicon-based solar cells. Tandem solar cells can achieve efficiencies above 40%, making them suitable for high-concentration photovoltaic systems and space applications.
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Solar energy offers several advantages over traditional fossil fuels for heating and cooling, including zero greenhouse gas emissions, reduced energy costs, and increased energy independence. Solar systems also require minimal maintenance and have a longer lifespan compared to traditional HVAC systems. Additionally, solar energy can provide a reliable source of heat and cooling, reducing the reliance on grid electricity and enhancing energy security.
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